KR20150091416A - 공동화 장치 및 공동화 장치의 이용 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에서, 제조 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계로서, 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함하고, 제2 점도는 원료 재료가 동수압적 공동화 프로세스를 위해서 구성되도록 충분히 낮은, 노출시키는 단계; 및 제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 포함한다. 방법을 적용하기 위해서 이용되는 장치 및 방법에 따라 제조된 예시적인 조성물이 또한 제공된다.

Description

공동화 장치 및 공동화 장치의 이용 방법{CAVITATION APPARATUS AND METHOD OF USING SAME}
본원은 2012년 12월 27일자로 출원된 미국 가출원 제61/848,176호, 2012년 12월 27일자로 출원된 제61/848,177호, 2012년 12월 27일자로 출원된 제61/848,178호, 및 2013년 6월 13일자로 출원된 제61/956,597호로부터 우선권을 주장하고, 그러한 각각의 출원 전체가 본원에서 참조로서 포함된다.
3-롤 밀링, 아트리토(attritor) 밀링 및 비드 밀링과 같은 산업 표준 프로세스가 분산형(dispersed) 입자를 제조하기 위해서 일반적으로 이용되나, 이러한 기술은, 열등한 입자의 분산성 및 제품 내에서의 입자의 응집(agglomeration)을 포함하는, 몇 가지 단점을 가진다. 액체와 같은, 매우 낮은 점도의 재료를 공동화할 수 있는 유화(emulsifying) 장비가 밀링 기술을 대체하기 위해서 채택되었다. 그러나, 이러한 공동화 시스템은 매우 낮은 점도의 액체만을 가공할 수 있고; 시스템의 능력은 그러한 물질이 기계 내로 유동할 수 있는지의 여부에 의해서 제약을 받는다. 이러한 기존의 시스템은 임의의 중간 점도 또는 높은 점도 재료를 가공하기 위해서는 구비되지 않는데, 이는 그러한 유형의 재료가 기존의 공동화 시스템 내로 유동될 수 없기 때문이다. 예를 들어, 기존의 공동화 시스템에서, 심지어 요거트도 공동화 기계 내로 유동될 수 없을 것이다.
전술한 내용에 비추어, 발명자는 원료(raw) 재료를 미세하게 분산되고 응집되지 않은 입자로 변환할 수 있는 시스템 및 그러한 변환을 달성하는 방법의 장점을 인식하고 이해하였다.
따라서, 일 실시예에서, 제조 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계로서; 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함하고, 제2 점도는 원료 재료가 동수압적(hydrodynamic) 공동화 프로세스를 위해서 구성되도록 충분히 낮은, 노출시키는 단계; 및 제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 장치 시스템이 제공되고, 그러한 장치 시스템은: 제1 점도를 가지고, 장치 시스템의 하류에 위치되고 장치 시스템으로부터 분리된 동수압적 공동화 챔버 내로 공급되는 원료 재료를 수용하도록 구성된 제1 공급 관; 및 제1 점도를 제2 점도로 감소시킬 수 있을 정도로 충분히 높은 제1 압력 및 제1 온도를 가지는 조건을 생성하도록 구성된 공기-구동형 피스톤으로서, 제2 점도는, 제품 재료를 형성하기 위한 동수압적 공동화 프로세스를 진행하기 위해서 원료 재료를 동수압적 공동화 챔버의 오리피스 내로 밀어 넣을 수 있을 정도로 충분히 낮은, 공기-구동형 피스톤을 포함한다.
다른 실시예에서, 조성물이 제공되고, 그러한 조성물은: 전기 전도성 재료를 포함하는 입자; 적어도 2개의 유리(glass) 재료; 적어도 하나의 유기 용매; 및 적어도 하나의 중합체 재료를 포함한다. 조성물이, 동수압적 공동화 프로세스가 실시되는 원료 재료의 일부일 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 프로그램이 저장된 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체가 제공되고, 그러한 프로그램은, 적어도 하나의 프로세서에 의해서 실행될 때, 방법을 실시하도록 구성되며, 방법은: 원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계로서, 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함하고, 제2 점도는 원료 재료가 동수압적 공동화 프로세스를 위해서 구성되도록 충분히 낮은, 노출시키는 단계; 및 제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 포함한다.
전술한 개념 및 이하에서 구체적으로 설명되는 부가적인 개념의 모든 조합이 (그러한 개념이 상호 모순되지 않는다면) 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 일부인 것으로 간주된다는 것을 이해하여야 할 것이다. 특히, 이러한 개시 내용의 말미에서 청구된 청구 대상의 모든 조합이, 본원에 개시된 발명의 청구 대상의 일부인 것으로 간주되어야 한다. 참조로서 포함된 임의의 개시 내용에서 또한 나타날 수 있는, 본원에서 명시적으로 채택된 용어가 본원에서 개시된 특별한 개념과 가장 일치되는 의미에 따라야 한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
당업자는, 도면이 주로 설명 목적을 위한 것이고 본원에서 설명된 발명의 청구 대상의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 실척이 아니고; 일부 경우에, 상이한 특징들의 이해를 돕기 위해서, 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 여러 가지 양태가 과장 또는 확대되어 도시되어 있을 수 있을 것이다. 도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 유사한 특징부(예를 들어, 기능적으로 유사하고 및/또는 구조적으로 유사한 요소)를 지칭한다.
도 1은 일 실시예에서의 공동화 또는 유화 장치 시스템의 개략도로서, 그러한 시스템은 상업적으로 입수가 가능한 기본적 기계 유닛 및 원료 재료를 기본적 기계 유닛 내로 공급하는 것을 돕는 장치 시스템을 포함하는, 개략도를 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 장치 시스템의 기본적 기계 유닛의 상이한 구성요소들을 또한 도시하는 장치 시스템의 다른 실시예의 개략도를 제공한다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 장치 시스템의 선택적인 부가적 구성요소로서, 열 제어 시스템의 상이한 구성요소들을 또한 도시하는 장치 시스템의 다른 실시예의 개략도를 제공한다.
도 4는 도 1에 도시된 바와 같은 장치 시스템의 선택적인 부가적 구성요소로서, 상이한 밸브들을 포함하는 폐쇄된, 자동화된 시스템을 또한 도시하는 장치 시스템의 다른 실시예의 개략도를 제공한다.
도 5는 도 3에서 설명된 장치 시스템을 이용하는 제조 프로세스의 일 실시예를 도시하는 개략적 흐름도를 제공한다.
도 6은 도 4에서 설명된 장치 시스템을 이용하는 제조 프로세스의 일 실시예를 도시하는 개략적 흐름도를 제공한다.
도 7은 하나의 예시적인 공동화 프로세스에서 제공된 바와 같은 공동화 프로세스 전의("시작 재료") 그리고 공동화 프로세스 이후("공동화된")의 일 실시예에서의 Ag 입자에 대한 입자 크기 분포를 도시한다.
도 8의 (a) 및 도8의 (b)는 하나의 예시적인 공동화 프로세스에서 제공된 바와 같은 공동화 프로세스 전의(a) 그리고 공동화 프로세스 이후(b)의 일 실시예에서의 입자의 주사전자현미경("SEM") 이미지를 제공한다.
이하의 내용은, 원료 재료를 미세하게 분산되고 응집되지 않은 입자로 변환할 수 있는 발명의 시스템 및 그러한 변환을 달성하는 방법과 관련된 다양한 개념 및 그 실시예에 관한 구체적인 설명이다. 개시된 개념이 임의의 특별한 구현 방법으로 제한되지 않기 때문에, 앞서서 설명하였고 이하에서 구체적으로 설명할 여러 가지 개념이 임의의 수 많은 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 구체적인 구현예 및 적용예의 예가 주로 설명 목적을 위해서 제공되었다.
공동화
공동화는, 액체에 작용하는 힘의 결과로서 형성되는, 액체 내의 증기 공동(예를 들어, "기포" 또는 "공극(void)"과 같이 액체가 없는 작은 구역)의 형성을 지칭할 수 있을 것이다. 일반적으로 그러한 프로세스는, 압력이 상대적으로 낮은 공동의 형성을 유발할 수 있는 급격한 압력 변화를 액체가 겪을 때 발생할 수 있을 것이다. 더 높은 압력에 노출될 때, 공극이 내파(implode)될 수 있고 강력한 충격파를 생성할 수 있을 것이다. 적용예에 따라서, 임의의 적합한 공동화 모드가 본원에서 제공된 방법 및 시스템에서 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 공동화 프로세스가 동수압적 공동화를 포함하거나, 동수압적 공동화일 수 있을 것이다.
동수압적 공동화는, 압력의 감소 및 후속되는 증가의 결과로서 유동 액체 내에서 발생하는 증기화, 기포 발생, 및 기포 내파의 프로세스를 지칭할 수 있을 것이다. 동수압적 공동화는 액체를 협소화된(constricted) 채널을 통해서 특정 속도로 통과시키는 것에 의해서 또는 액체를 통한 물체의 기계적인 회전에 의해서 생성될 수 있을 것이다. 협소화된 채널 및 시스템의 특정의(또는 특유의) 기하형태를 기초로 하는 경우에, 압력 및 운동 에너지의 조합이 높은 에너지의 공동화 기포를 생성하는 지역적인 협소화부 하류에 동수압적 공동화 공동(cavern)을 생성할 수 있을 것이다.
오리피스 및 벤투리(venturi)가 공동화 생성을 위해서 이용될 수 있을 것이다. 벤투리가 이용될 수 있는데, 이는 벤투리의 매끄러운 수렴 및 발산 섹션 때문이며, 벤투리는 벤투리에 걸친 주어진 압력 강하를 위해서 목부(throat)에서 고속을 생성할 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 오리피스가 파이프의 주어진 횡단면적 내에서 보다 많은 수의 홀(홀의 보다 큰 둘레부)을 수용할 수 있을 것이다. 2가지 선택사항 모두가 가능하다.
기존의 공동화 시스템의 일부는 공동화 발생을 위해서 필요한 압력을 생성하기 위해서 대향하는 물 제트를 이용하는 한편, 다른 시스템은 수압식 펌프 구동 및 진동(oscillating) 플런저에 의해서 압력 및 결과적인 진공을 생성하며, 플런저는 저점도 재료를 인입하고 이어서 저점도 재료를 특정 지점을 통해서 밀어 내고, 그러한 특정 지점에서 공동이 발생된다. 그러나, 이러한 기존 시스템 중 어느 것도, 성분들을 분산시키기 위해서, 또는 탈-응집(de-agglomeration)을 통한 희망 입자 크기 분포를 획득하기 위해서, 유체의 속도 보다 빠른 속도를 가지는 원료 재료를 취급하는 것을 구비하고 있지 않다.
공동화 장비
적용예에 따라서, 공동화 또는 유화 프로세스를 실행할 수 있는 임의의 적합한 장비가 이용될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 장치 시스템이 제공되고, 그러한 장치 시스템은: 제1 점도를 가지며, 장치의 하류에 위치하고 장치로부터 분리된 동수압적 공동화 챔버 내로 공급되는, 원료 재료를 포함하도록 구성된 제1 공급 관을 포함한다. 시스템은 또한, 제1 점도를 제2 점도로 감소시키도록 충분히 높은 제1 압력 및 제1 온도를 가지는 조건을 생성하도록 구성된 공기-구동형 피스톤을 포함할 수 있고, 제2 점도는, 제품 재료를 형성하기 위한 동수압적 공동화 프로세스를 진행하기 위해서 원료 재료를 동수압적 공동화 챔버의 오리피스 내로 밀어 넣을 수 있을 정도로 충분히 낮다.
도 1은 기본적인 공동화 또는 유화 기계(1)의 개략도를 제공한다. 기계는 유입구(2) 및 배출구(3)를 포함한다. 기계가 상업적으로 입수가 가능한 공동화 기계일 수 있거나, 고객-맞춤형 설계의 공동화 기계일 수 있을 것이다. 기본적 공동화 기계(1)가 도 2와 관련하여 이하에서 더 설명된다. 원료 재료를 기본적 공동화 기계(1) 내로 공급하도록 구성된, 본원에서 제공된 장치 시스템이, 예를 들어 유입구(2)에서 기본적 공동화 기계(1)에 부착되는 시스템을 지칭할 수 있을 것이다. 그 대신에, 본원에서 제공된 장치 시스템이, 도 1에 도시된 바와 같이, 기본적 공동화 기계(1) 및 부착된 시스템 모두의 조합을 포함하는 제조 시스템을 지칭할 수 있을 것이다.
이제 도 1을 참조하면, 장치 시스템이 적어도 하나의 공급 관(4), 공급 관(4) 내의 원료 재료(5), 및 재료를 공급 관(4) 아래로 밀어서 재료를 기계(1)의 유입구(2) 내로 추진하는 피스톤(6)을 포함할 수 있을 것이다. 또한, 장치 시스템은 공급 관(4)의 후방 단부 상에서 공기 밸브(7)를 포함하고, 그러한 공기 밸브(7)는 공급 관(4) 내로의 압축 공기의 유동을 제어한다. 장치 시스템이 공기 라인(8)을 포함할 수 있을 것이고, 그러한 공기 라인은 압축 공기를 압축 공기의 공급원으로부터 공기 밸브(7) 내로 그리고 공급 관(4) 내로 공급한다.
기본적 공동화 기계(1)가, 적용예에 따라서, 임의의 적합한 구성요소를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 기본적 공동화 기계가 2개의 수압식 펌프를 포함할 수 있을 것이고, 그러한 수압식 펌프는 페이스트(paste)를, 매우 작은 오리피스를 통해서, 매우 작은 진공 챔버 내로, 그리고 특정의 희망 배압을 생성하는 다른 매우 작은 오리피스 외부로, 밀어내기 위해서 이용된다. 일 실시예에서, 작은 오리피스를 중간에서 진공 챔버와 이렇게 조합하는 곳에서 동수압적 공동화가 발생한다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에서, 기본적 공동화 기계(1)가 수압 저장용기(13), 수압 오일을 증압기(intensifier)(15)로 펌핑하기 위해서 펌프(17)를 작동시키는 모터(14)를 포함하고, 증압기는, 오리피스가 수용되고 공동화가 발생되는 공동화 챔버 내로 재료가 추진될 수 있도록 하기 위해서, 볼 체크 시스템(12)이 폐쇄되어 있는 동안, 공동화 챔버(9) 내로 재료를 밀어 내는 진동 플런저(11)를 구동한다. 증압기(15)가 플런저(11)를 전방으로 밀 때, 증압기(15)의 전방부 내의 수압 오일이 질소 백(16)에 대항하여(against) 밀려 난다. 플런저(11)가 완전히 전방에 도달한 후에, 위치결정 센서가 증압기(15)를 구동하는 수압식 펌프(17)를 정지시키고, 압력이 질소 백(16)에 대항하여 축적되어, 플런저(11)가 그 시작 위치로 다시 밀려 나도록 유도한다.
적용예에 따라서, 공급 관의 수를 포함하는, 구성들이 달라질 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 중간 내지 높은 점도의 원료 재료를 포함하는 작은 단일 공급 관이, 공동화 기계의 각각의 통과 이후에 테스트될 수 있는 작은 배치(batch)를 위해서 이용될 수 있을 것이다. 공동화 프로세스가, 가공되는 재료 내에서 많은 열을 생성할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 열 제어 시스템을 이용하여, 제품 재료가 공동화 기계(1)를 빠져 나갈 때 제품 재료의 온도를 제어할 수 있을 것이고, 그에 따라 재료가 적절한 그리고 안정적인 온도로 공동화 프로세스를 빠져나갈 수 있을 것이다. 바람직하게, 온도는 제품 재료의 열적 열화(劣化) 온도 미만이다. 열 열화 온도는 재료의 성분의 재료 성질의 함수이다. 예를 들어, 공동화 챔버의 하류에서, 본원에서 설명된 장치 시스템의 일 실시예가 열 제어 시스템을 더 포함할 수 있을 것이고, 그러한 열 제어 시스템은 열 교환기, 열전쌍(thermal couple), 및 동수압적 공동화 챔버로부터 배출되는 제품 재료를 냉각시키기 위해서 유체를 공급하도록 구성된 냉각 유체 저장용기 중 적어도 하나를 포함한다. 원료 재료의 열적 열화 온도 미만이 되게끔 제2 온도를 제어하도록, 열 제어 시스템이 구성될 수 있을 것이다.
도 3은, 열 제어 시스템을 포함하는 일 실시예의 장치 시스템의 구성의 개략도를 제공한다. 도 3을 참조하면, 열 제어 시스템이, 재료가 공동화 프로세스를 빠져나가는 직후의 직렬의(inline) 열 교환기(9)를 포함할 수 있을 것이다. 열 교환기(9) 이후에 열전쌍(10)이 후속될(하류에 위치될) 수 있을 것이고, 그러한 열전쌍은 재료가 열 교환기(9)를 통과한 후의 재료의 온도를 판독하도록 구성된다. 급냉수(chilled water)가 적어도 하나의 물 밸브(11)를 이용하여 열 교환기로 인가될 수 있을 것이고, 그러한 물 밸브는 물이 급냉수 공급원(14)으로부터 물 배관(12)을 경유하여 열 교환기(9)로, 열 교환기(9)를 통해서, 이어서 열 교환기(9) 외부로 그리고 다시 물 배관(13)을 경유하여 냉각수의 복귀 물 연결부로 유동할 수 있게 한다.
물의 유동이, 수동으로 또는, 예를 들어 소프트웨어 프로그램에 의해서, 자동적으로 제어될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 미리 결정된 온도가 소프트웨어 프로그램으로 입력될 수 있을 것이고, 그러한 소프트웨어 프로그램은, 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서로 하여금 열 제어 시스템을 실행하도록 유도한다. 다른 실시예에서, 열전쌍으로부터의 피드백이 소프트웨어로 하여금 물 밸브(11)를 조정하게 할 수 있고, 그에 따라 열 제어 시스템을 빠져 나가는 재료의 온도가 희망 범위 내에 있게 된다. 일 실시예에서, 재료가 하나의 구분된(discrete) 통과로 가공되고 배출구(3)를 통해서 제2 관으로 전달된다. 이어서, 희망하는 제품 재료 성질을 달성하기 위한 필요에 따른 많은 통과를 위해서, 관이 상호 교환되고 프로세스가 반복될 수 있을 것이다.
도 4는 본원에서 설명된 장치 시스템의 대안적인 실시예의 개략도를 제공한다. 이러한 실시예는, 복수의 공동화 통과를 허용하는 및/또는 돕는 폐쇄된 시스템을 더 포함한다. 열 제어 시스템 보다 더 하류에 위치하는 폐쇄 시스템이 제2 공급 관; 동수압적 공동화 프로세스를 반복하기 위해서 제품 재료를 동수압적 공동화 챔버 내로 다시 재공급하도록 구성된 복수의 2-방향 밸브 및 3-방향 밸브; 및 압력 변환기를 더 포함할 수 있을 것이다. 이러한 실시예는, 전술한 작은 규모(예를 들어, 연구개발(R & D))의 실시예 보다 대-규모 생산에 적합할 수 있을 것이다. 본원에서 설명되는 폐쇄된 시스템의 하나의 장점은 오염에 대한 노출의 감소(예를 들어, 완전한 제거)이다.
도 3에 도시된 바와 같은 열 제어 시스템에 더하여, 도 4에 도시된 바와 같은 장치 시스템이, 공기 구동형 피스톤과 함께 구성되는 유사한 크기의 2개의 관을 부가적으로 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 관의 크기가 배치(batch) 크기를 결정하기 위한 인자가 될 수 있을 것이나, 본원에서 설명된 실시예에 의해서 가공될 수 있는 재료의 양에는 제한이 없다. 도 3에 설명된 바와 같은 시스템에 적용될 수 있는 자동화가 도 4에서 설명된 시스템에도 유사하게 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 자동화된 시스템이 밸브를 이용할 수 있을 것이고, 그러한 밸브는 재료가 공동화 기계(1)의 내부로 그리고 외부로, 그리고 본원에서 설명된 공급 장치 시스템의 외부로 그리고 내부로, 진입 및 진출할 때, 재료의 방향을 제어한다. (예를 들어, 도 1 참조)
도 4를 참조하면, 폐쇄된 시스템이 2-방향 밸브(16 및 17)를 포함하고, 그러한 2-방향 밸브는 재료가 시스템 내로 밀려날 때 재료의 방향뿐만 아니라, 재료가 열 교환기(9)를 빠져나온 후에 재료가 이동하는 방향을 제어한다. 시스템은, 재료가 공동화 기계(1) 내로 이동하게 하기 위해서, 바람직하게 2 방향 밸브(16 및 17)와 동기화된(sync), 3-방향 밸브(18)를 더 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 관(4) 내의 재료가 공기 구동형 피스톤(6)에 의해서 관 아래로 추진될 때, 재료가 해당 밸브를 통과하여 3-방향 밸브(18)로 이동하도록, 2 방향 밸브(16)가 반드시 폐쇄되어야 한다. 재료가 관(4) 내에 있을 때, 3-방향 밸브(18)는 재료가 관(4)으로부터 공동화 기계(1) 내로 이동하게 허용한다.
공동화가 발생된 후에, 재료가 열 제어 시스템을 통해서 그리고 열 교환기(9)의 외부로 이동되고, 열전쌍(10)을 통과한다. 이러한 지점에서, 재료가 개방된 2 방향 밸브(17)를 통해서 그리고 관(15) 내로 이동하여, 공기-구동형 피스톤을 관의 후방부를 향해서 관 아래로 밀고, 그러한 관의 후방부에서는 공기 밸브(20)가 공기를 관(15) 내의 피스톤으로 공급한다. 관(4)으로부터 관(15)으로의 이러한 재료 이동의 프로세스 중에, 공기 밸브(20)가 개방되고, 그에 따라, 관(15)이 재료로 충진되고 피스톤(6)이 튜브(15)의 후방부를 향해서 추진됨에 따라 공기가 관(15)의 외부로 밀려날 수 있다. 관(4)이 비어 있을 때, 내부의 피스톤(6)이 관(4)의 전방부를 타격하고, 기계 내로 추진되는 재료 상으로는 더 이상의 압력이 가해지지 않는다.
3-방향 밸브에 의해서 기계의 유입구 근처에 위치되는 압력 변환기(19)가 이러한 압력 강하를 소프트웨어로 전송할 수 있고, 이어서, 소프트웨어는 적어도 하나의 프로세서로 하여금 2 방향 밸브 및 3-방향 밸브를 절환(switch)시키도록 유도하고, 그에 따라 재료가 관(15)으로부터 다시 공동화 기계(1)를 통해서 그리고 다시 관(4) 내로 이동하게 될 것이다. 재료가 관(15)으로부터 공동화 기계(1)로 이동하도록 밸브가 일단 절환되면(17은 폐쇄되고, 16은 개방되며, 18은 절환된다), 공기 밸브(20)가 자동적으로 턴 온(turn on)되고 피스톤(6) 및 재료를 전체 시스템을 통해서 관(15) 아래로 그리고 다시 관(4)으로 추진한다.
조작자/사용자는 재료가 공동화 기계를 통과하는 횟수를 선택할 수 있을 것이고, 그에 의해서 공동화 및/또는 (열 제어 시스템에 의한) 냉각 프로세스를 반복할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 미리 결정된 수의 통과가 이루어진 후에, 시스템 뿐만 아니라 밸브 및 피스톤을 구동하는 공기가 자동적으로 차단될 수 있을 것이다. 이러한 안전 특징(feature)은 현재의 사이클이 완료되면 공기 압력을 방출할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 본원에서 설명된 시스템 구성은, 희망하는 동작 압력(들) 및 온도(들)에서 특정 횟수의 통과 이후에 희망하는 결과가 성취되었는지를 결정하기 위해서 임의 시간에 재료의 샘플을 취할 수 있게 허용한다.
일 실시예에서, 본원에서 제공된 장치 시스템이, 프로세스 내의 몇몇 지점에서 재료의 온도를 결정하고, 공동화가 발생된 직후에 직렬로 연결되는 열 교환기로의 급냉수의 유동을 제어하는 물 밸브를 작동시키기 위해서 이용되는 소프트웨어 및 몇 개의 열전쌍 중 적어도 하나에 의해서 재료의 온도를 제어할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 재료가 안정적으로 유지되도록 그리고 다음 사이클 또는 통과(pass)를 위해서 준비되도록, 가공되는 재료에 적합한 범위로 그 온도를 감소시키기 위해서, 재료가 공동화 이후에 냉각된다. 이러한 온도 제어 시스템이 없는 경우에, 적어도 하나의 실시예에서의 재료가 너무 많은 열을 보유할 수 있을 것이고 그리고 각각의 통과를 통해서 점점 더 많은 열 에너지를 획득할 수 있을 것이고, 그에 따라 그 성분의 일부를 손상시키는 결과를 초래할 수 있을 것이다. 시행 착오 및/또는 매개변수에 관한(parametric) 연구를 통해서 각각의 재료에 대해서 결정될 수 있는 압력 및 온도에 대한 셋팅된 매개변수로 재료가 가공될 때, 고점도 잉크, 페이스트, 슬러리 또는 나노-입자의 분산체(dispersion)를 위한 매체를 준비하는데 있어서, 로트별(lot to lot) 제품의 항상성이 다른 기존의 프로세스 보다 놀랍도록 훨씬 더 우수하다. 본원에서 설명된 장치 시스템 및 방법에 의한 공동화 프로세스를 통해서 연속적이고 제어된 방식으로 중간 점도 내지 고점도 재료를 이동시킬 수 있는 능력은 기존 방법에서 예상되지 못했다.
제조 프로세스
일 실시예에서, 제조 방법이 제공되고, 그러한 방법은: 원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계; 및 제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서, 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화를 실시하는 단계를 포함한다. 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 제2 점도는, 원료 재료가 동수압적 공동화 프로세스와 같은 공동화 프로세스를 위해서 구성될 수 있도록 충분히 낮을 수 있을 것이다.
적어도 포함되는 장비에 따라서, 제조 방법이 많은 수의 부가적인 프로세스를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 경우에, 방법이, 예를 들어 적어도 피드백 온도 제어를 포함하는, 열 제어 시스템을 이용하여, 제품 재료를 미리 결정된 제2 온도로 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 제1 온도 및 제1 압력이 임의의 적합한 기술에 의해서 생성될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 제1 압력이 적어도 공기-구동형 피스톤의 이용에 의해서 생성될 수 있을 것이다. 또한, 동수압적 공동화 프로세스가 내부에서 이루어지는 동수압적 공동화 챔버의 적어도 하나의 오리피스를 통해서 제1 점도를 가지는 원료 재료를 추진시키는 것에 의해서, 제1 온도가 생성될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 재료를 (작은 오리피스를 통해서) 공동화 챔버 내로 추진하는 프로세스가 많은 열을 생성할 수 있을 것이다. 이러한 열 부가의 결과로서 상승된 온도가 전술한 바와 같은 열 제어 시스템을 통해서 후속하여 제어될 수 있을 것이다. 피스톤을 통한 구동(driving-through-piston) 기술이 (제1 온도/압력에 도달하기 위한) 원료 재료를 가열하기 위한 유일한 방법일 필요가 없고 임의의 다른 적합한 방법이 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 열 블랭킷(blanket)을 이용하여 제1 온도를 생성할 수 있을 것이다. 또한, 일부 실시예에서, 재료가 복수 횟수로 동수압적 공동화 프로세스를 거칠 수 있을 것이다. 예를 들어, 방법이 노출 단계 및 동수압적 공동화 실시 단계를 적어도 한차례 반복하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 구성에 따라서, 동수압적 공동화 실시 단계 및 노출 단계 중 적어도 하나가 폐쇄 시스템에서 이루어질 수 있을 것이다.
일부 실시예에서, 본원에서 설명된 장치 시스템은, 원료 재료가 기본적 공동화 기계로 공급될 수 있도록, 원료 재료가 사전준비(preconditioned) 수 있게 한다. 도 5는 도 3에 도시된 바와 같은 시스템을 이용하여 제품 재료를 제조하는 프로세스의 일 실시예를 도시한 흐름도를 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 원료 재료가, 내부의 입자의 분산 및 탈-응집으로부터 이득을 취할 수 있는 다중 성분 혼합물의 형태를 취한다(S501). 원료 재료가, 공동화 시스템으로 부착되는 가공(engineered) 공동화 공급 관으로 적재된다(S502). 이어서, 공급 관 내의 피스톤이 공급 관 아래로 구동되어(본 예에서 공압식으로), 원료 재료를 가공을 위해서 공동화 기계 내로 밀어 넣고/추진한다(S503). 원료 재료가 공동화 기계 내로 추진된 후에, 재료가 공동화 프로세스를 통해서 진행되고, 적어도 부분적으로 고압에 의해서 생성되는 열 에너지에 의해서 재료의 온도가 증가된다(S504). 이어서, 원료 재료가, 공동화 프로세스를 빠져 나온 후에, 미리 결정된 온도(또는 온도 범위)까지의 냉각을 위해서, 열 교환기 내로 진행되고(S505), 그 동안에 열전쌍이 열 교환기의 하류 및/또는 상류에서 온도를 측정한다. 이어서, 소프트웨어 프로그램/시스템이 열 교환기의 하류에 위치된 열전쌍으로부터 피드백을 수신하고, 열 교환기로의 급냉수의 유동을 제어하는 물 밸브를 작동시킨다(S506). 제품이 열 교환기를 빠져 나올 때, 적어도 열 제어 시스템의 결과로서 제품이 희망하는 미리 결정된 온도가 된다(S507). 결과적으로, 제품 재료가 안정적 온도를 가지고 제품 재료가 효과적으로 탈-응집되고 모든 성분이 다중 성분 혼합물 원료 재료로부터 분산된다(S508).
일부 실시예에서, 본원에서 설명된 장치 시스템은 원료 재료가 공동화 프로세스를 복수 횟수로 거칠 수 있게 한다. 도 6는 도 4에 도시된 바와 같은 시스템을 이용하여 제품 재료를 제조하는 프로세스의 일 실시예를 도시한 흐름도를 제공한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 원료 재료가, 입자의 분산 및 탈-응집으로부터 이득을 취할 수 있는 다중 성분 혼합물의 형태를 취한다(S601). 원료 재료가, 공동화 시스템으로 부착되는 가공 공동화 공급 관으로 적재된다(S602). 이어서, 공급 관 내의 피스톤이 공급 관 아래로 구동되어(본 예에서 공압식으로), 원료 재료를 가공을 위해서 공동화 기계 내로 밀어 넣고/추진한다(S603). 혼합물이 공급 관(1) 아래로 밀려남에 따라, 혼합물은 폐쇄된 2 방향 밸브를 지나고 개방된 3-방향 밸브를 통해서, 압력 변환기 및 열전쌍을 지나서, 그리고 공동화 기계 내로 이동한다(S604). 원료 재료가 공동화 기계 내로 추진된 후에, 재료가 공동화 프로세스를 통해서 진행되고, 적어도 부분적으로 고압에 의해서 생성되는 열 에너지에 의해서 재료의 온도가 증가된다(S605). 이어서, 원료 재료가, 공동화 프로세스를 빠져 나온 후에, 미리 결정된 온도(또는 온도 범위)까지의 냉각을 위해서, 열 교환기 내로 진행되고(S606), 그 동안에 열전쌍이 열 교환기의 하류 및/또는 상류에서 온도를 측정한다. 이어서, 소프트웨어 프로그램/시스템이 열 교환기의 하류에 위치된 열전쌍으로부터 피드백을 수신하고, 열 교환기로의 급냉수의 유동을 제어하는 물 밸브를 작동시킨다(S607). 제품이 열 교환기를 빠져 나올 때, 적어도 열 제어 시스템의 결과로서 제품이 희망하는 미리 결정된 온도가 된다(S608). 제품이 열 교환기의 외부로 유동한 후에, 제품이 공급 관(2)으로 연결된 개방된 2 방향 밸브를 통해서 공급 관(2)으로 이동하여, 공급 관(2) 내의 피스톤을 관의 후방부를 향해서 민다(S609). 공급 관(1)이 비었을 때 그리고 제품이 완전히 한차례 통과하였을 때, 제품을 추진하는 피스톤이 공급 관의 전방부를 타격하고 정지되며; 이때 3-방향 밸브를 통해서 진행하는 제품의 압력이 강하된다(S610). 3-방향 밸브에 장착된 압력 변환기가, 빈 관(1)의 결과로서의 압력 강하를 판독하고 - 소프트웨어가 이러한 피드백을 수신할 때, 소프트웨어는 2 방향 밸브, 3-방향 밸브 및 공급 관 내의 피스톤을 미는 공기를 제어하는 제품 공기 밸브를 절환한다(S611). 소프트웨어가 밸브 및 공기 공급부를 절환한 후에, 제품 재료가 공급 관(2)으로부터 공동화 기계 내로 역으로 공급되기 시작하고, 폐쇄된 2 방향 밸브를 지나서 3-방향 밸브를 통해서 기계 내로 복귀된다(S612). 소프트웨어는, 사용자가 통과 횟수를 입력하고 온도를 설정할 수 있게 하고; 이러한 정보가 소프트웨어로 입력된 후에, 기계가 자동적으로 설정된 통과 횟수로 그리고 안정적인 온도로 작동될 것이다(S613). 제품 재료가 안정적 온도를 가지고; 제품 재료가 효과적으로 탈-응집되고 모든 성분이 다중 성분 혼합물 원료 재료로부터 분산된다(S614).
본원에서 제공된 방법 및 장치 시스템은, 기존의 공동화 프로세스에서 허용되는 것에 대비하여, 더 큰 점도를 가지는 원료 재료가 공동화 프로세스(예를 들어, 동수압적 공동화 프로세스)로 처리될 수 있게 한다. 본원에서 설명되는 점도의 값은 재료에 따라 다르고 그에 따라 본원에서 설명되는 점도의 값 중 임의의 값은 단지 설명 목적을 위한 것이고 제한을 의미하지 않는다. 또한, 점도의 값이 프로세스의 특별한 시점 중의 특별한 측정 순간(그에 따라, 해당되는 특별한 시점에서의 특별한 압력 및/또는 온도)에 측정된 값을 지칭할 수 있을 것이다.
제2 점도가 공동화 내로 밀려나는 원료 재료에 있어서 중요할 수 있기 때문에, 본원에서 설명된 제조 방법이, 제2 점도를 성취하기 위한 적절한 제1 압력 및 제1 온도를 결정하는 것을 더 포함할 수 있을 것이다. 그러한 결정은 매개변수에 관한 연구 및/또는 시행착오를 포함할 수 있을 것이다. 그러한 결정은, 원료 재료 내에서 이용되는 상이한 성분 재료들의 재료 성질을 포함하는 특정 알고리즘 또는 컴퓨터 데이터베이스를 이용하는 것에 의해서 최적화될 수 있을 것이다.
제1 온도 및 제1 압력이 가공 조건 및 재료 성질에 따라 달라진다. 일 실시예에서, 제1 온도가 약 20 ℃ 내지 약 100 ℃ - 예를 들어 약 25 ℃ 내지 약 80 ℃, 약 30 ℃ 내지 약 60 ℃, 약 35 ℃ 내지 약 50 ℃, 약 40 ℃ 내지 약 50 ℃, 등일 수 있을 것이다. 적용예에 따라서, 다른 값도 가능하다.
일 실시예에서, 제1 압력이 100 psi 내지 약 100,000 psi - 예를 들어, 500 psi 내지 약 80,000 psi, 1,000 psi 내지 약 50,000 psi, 2.000 psi 내지 약 10,000 psi, 3,000 psi 내지 약 5,000 psi, 등이 될 수 있을 것이다. 적용예에 따라서, 다른 값도 가능하다.
본원에서 설명된 방법의 일 실시예에서, 상온에서의 제1 점도가 적어도 약 1 Kcps - 예를 들어, 적어도 약 5 Kcps, 약 10 Kcps, 약 20 Kcps, 약 40 Kcps, 약 60 Kcps, 약 80 Kcps, 약 100 Kcps, 약 150 Kcps, 약 200 Kcps, 약 250 Kcps, 약 300 Kcps, 약 350 Kcps, 약 400 Kcps, 약 500 Kcps, 약 600 Kcps, 약 700 Kcps, 약 800 Kcps, 약 900 Kcps, 약 1000 Kcps, 또는 그 초과일 수 있을 것이다. 제1 점도에 대한 상한선은 없다. 본원에서 설명된 방법 및 시스템이 기존의 공동화 기술에 의해서 가공되는 저점도 재료를 취급하도록 구비됨에 따라, 제1 점도에 대한 하한선도 없다.
일반적으로, 제2 점도는 제1 점도 보다 낮을 수 있는데, 이는 적어도 부분적으로 원료 재료를 제1 온도 및 제1 압력으로 처리하는 프로세스 때문이다. 제2 점도는 재료에 따라서 달라지고 또한 제1 압력 및 제1 온도에 따라서 달라진다. 예를 들어, 제2 점도가 제1 점도의 약 10% 내지 약 90% - 예를 들어, 제1 점도의 약 20% 내지 약 80%, 약 30% 내지 약 70%, 약 40% 내지 약 60%, 약 45% 내지 약 55%, 등일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 제2 점도가 제1 점도의 약 25% 내지 약 50%이다.
(제품 재료의) 제3 점도가 일반적으로 제1 점도 보다 낮을 수 있을 것이다. 제3 점도는 재료에 따라서 달라지고 또한 재료에 가해진 가공 조건에 따라서 달라진다. 예를 들어, 제2 점도가 대략적으로 제1 점도의 약 90% 미만 - 예를 들어 약 80% 미만, 약 75%, 약 70%, 약 65%, 약 60%, 약 55%, 약 50%, 약 45%, 약 40%, 약 35%, 약 30%, 또는 그 미만일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 제3 점도가 제1 점도의 약 50%이다. 일부 경우에, 일단 압력이 방출되고 및/또는 제품 재료의 온도가 냉각되면, 제3 점도가 제2 점도 보다 크다.
본원에서 설명된 제조 방법의 결과로서의 제품 재료가 다양한 장치를 제조하기 위해서 추가적으로 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 방법이, 장치의 일부인 기판 상에 패턴을 형성하기 위해서 제품 재료를 기판 상으로 배치하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 장치가 후술되는 부분(section)에서 설명되는 장치 중 임의의 장치일 수 있을 것이다. 패턴이, 예를 들어, 격자 선일 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 방법의 임의 부분은, 본원에서 설명된 장치 시스템과 함께 이용될 때, 자동화될 수 있을 것이다. 자동화는 적어도 부분적으로 소프트웨어 프로그램을 이용하여 이루어질 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 소프트웨어 프로그램이 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된다. 프로그램은, 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서(예를 들어, 컴퓨터)로 하여금 본원에서 설명된 방법 중 임의의 방법(또는 그 일부)을 실행하게 한다.
본원에서 제공된 방법 및 장치 시스템은 원료 재료의 크기가 감소, 분산, 및/또는 탈-응집될 수 있게 한다. 원료 재료가 복수의 입자를 포함할 수 있을 것이다. 입자가 형상 및 크기를 포함하는 임의의 기하형태를 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 입자가, 구형, 시트, 플레이크(flake), 프릿(frit), 타원형, 또는 불규칙적인 형상을 포함하는 형상을 가질 수 있을 것이다. 입자가 임의 크기일 수 있을 것이다. 본원에서 언급된 "크기"라는 용어는, 문맥에 따라서 그리고 입자의 기하형태에 따라서, 직경, 반경, 길이, 폭, 높이, 등을 지칭할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 복수의 입자를 설명하기 위해서 "크기"라는 용어가 이용될 때, 그러한 크기는 복수의 크기의 평균 크기를 지칭할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 방법은, 제품 재료 내에서 제2 크기를 가지는 입자를 형성하기 위해서 원료 재료 내에 포함되는 입자의 제1 크기를 감소시키는 단계를 포함할 수 있을 것이며, 제2 크기는 제1 크기 보다 작다. 제1 크기가 나노미터 범위 또는 마이크로미터 범위일 수 있을 것이다. 예를 들어, 입자의 제1 (평균) 크기가 약 0.05 미크론 내지 약 100 미크론 - 예를 들어, 약 0.1 미크론 내지 약 50 미크론, 약 0.5 미크론 내지 약 10 미크론, 약 0.25 미크론 내지 약 1 미크론, 등일 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 입자의 제2 (평균) 크기가 약 0.05 미크론 내지 약 10 미크론 - 예를 들어, 약 0.1 미크론 내지 약 3 미크론, 약 0.1 미크론 내지 약 1 미크론, 약 0.25 미크론 내지 약 1 미크론, 약 0.2 미크론 내지 약 0.5 미크론, 등일 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 본원에서 설명된 방법 및 시스템의 입자 크기 감소 효과가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 실험 데이터는, 본원에서 설명된 방법 및 시스템이 Ag 입자의 평균 크기를 약 20 미크론 초과로부터 약 0.2 미크론으로 감소시키는 것을 보여준다. 부가적으로, 본원에서 설명된 프로세스 이후에, 입자는 프로세스 이전 보다 상당히 더 조밀하고(tighter)/좁은 분포를 나타낸다.
크기의 감소는, 부분적으로, 입자의 탈-응집으로 인한 것일 수 있을 것이다. 다시 말해서, 방법은, 제품 재료 내에서 제2 크기를 가지는 입자를 형성하기 위해서 원료 재료 내에 포함되는 제1 크기의 입자를 탈-응집시키는 단계를 포함할 수 있을 것이며, 제2 크기는 제1 크기 보다 작다. 도 8(a) 및 도 8(b)는, 일 실시예에서, 본원에서 설명된 공동화 프로세스의 결과로서, 탈-응집 전후의 입자들 사이의 대비를 도시한다. 탈-응집 중에, 입자가 분산될 수 있고, 그에 따라 가시적으로 관찰 가능한 입자의 응집이 제품 재료 내에서 관찰되지 않았다.
입자를 포함하는 제품 재료를 제조하기 위해서 본원에서 설명된 시스템 및 방법을 이용하는 것의 하나의 놀라운 결과는, 제품 재료 내의 입자가 소정 시간 동안 탈-응집화되어 유지될 수 있다는 것이다. 일 실시예에서, 제품 재료 내의 입자가 적어도 실질적으로 탈-응집화되어 유지되는 현상을 설명하기 위해서 이용된 측정 기준(metric)이, 소정 시간 후에 입자의 크기의 가시적으로 관찰 가능한 변화(예를 들어, 증가)의 결여(lack)가 될 수 있을 것이다. 가시적인 관찰이 육안으로, 광학적 현미경으로, 및 전자 현미경 등으로 실행될 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 제품 재료의 입자가 적어도 약 1 달 - 예를 들어, 적어도 약 2 달, 약 3 달, 약 5 달, 약 6 달, 약 7 달, 약 8 달, 약 9 달, 약 10 달, 약 11 달, 약 1 년, 약 1.5 년, 약 2 년, 약 3 년, 약 4 년, 약 5 년, 또는 그 초과 동안 적어도 실질적으로 (또는 완전하게) 응집이 없이 유지될 수 있을 것이다. 이제까지 발명자가 입수 가능한 실험 데이터를 기초로 할 때, 적어도 약 2년 이후까지 관찰 가능한 응집화가 관찰되지 않았다.
조성물
본원에서 설명된 방법 및 시스템은, 가공하기 위해서 이용될 수 있는 원료 재료의 유형과 관련하여 다용적이다(versatile). 원료 재료의, 점도, 기하형태, 크기 등을 포함하는 몇몇 재료 성질을 이미 앞서서 설명하였다. 원료 재료가 또한 복수의 상이한 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 원료 재료가 조성물을 포함할 수 있을 것이고, 조성물이 전기 전도성 재료를 포함하는 입자; 적어도 하나의 유리 재료; 적어도 하나의 유기 용매; 및/또는 적어도 하나의 중합체 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 원료 재료가 조성물을 포함할 수 있을 것이고, 조성물이 은을 포함하는 입자, 적어도 하나의 유리 재료, 적어도 하나의 유기 용매, 및 적어도 하나의 중합체 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 원료 재료가 조성물을 포함할 수 있을 것이고, 조성물이 전기 전도성 재료를 포함하는 입자; 적어도 2개의 유리 재료; 적어도 하나의 유기 용매; 및 적어도 하나의 중합체 재료를 포함할 수 있을 것이다. 성분 입자 중 임의의 성분 입자가 전술한 바와 같은 입자 크기 중 임의의 입자 크기를 가질 수 있다.
원료 재료의 성분에 따라서, 원료 재료가 다양한 입자 크기를 가질 수 있는데, 이는 각각의 성분이 다른 성분과 상이한 입자 크기를 가질 수 있을 것이기 때문이다. 일부 실시예에서, 성분들 중 일부가 유사한 또는 동일한 크기를 가진다. 예를 들어, 유리 재료 및 전기 전도성 재료가 유사한 또는 동일한 크기를 가질 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 성분들 모두가 상이한 크기들을 가진다. 일 실시예에서, 원료 재료가 적어도 2개의 - 예를 들어, 적어도 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 그 초과의 평균 입자 크기 분포를 포함할 수 있을 것이다.
전기 전도성 재료가, 적용예에 따라서, 전기적으로 전도적인 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 전기 전도성 재료가 금속, 합금, 반도체, 및/또는 전기적으로 전도적인 탄소-기반의 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 전기 전도성 재료가: Ag, Pd, Au, Pt, Ni, Cu, Ru, 또는 그 합금 중 적어도 하나를 포함한다. 그 복합체/혼합물이 또한 가능하다. 다른 실시예에서, 전기 전도성 재료가: 카본 블랙, 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브, 및 흑연 중 적어도 하나를 포함한다.
유리 재료가, 적용예에 따라서, 임의의 유형의 적합한 유리 재료를 포함할 수 있을 것이다. 유리 재료가 실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 실리케이트가 보로실리케이트를 포함할 수 있을 것이다. 보로실리케이트가 임의 유형의 보로실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 보로실리케이트가 Pb-함유 보로실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 그 대신에, 보로실리케이트 유리가 비-Pb-함유 보로실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 유리가 비스무트-함유 보로실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 유리가 텔루르-함유 보로실리케이트 유리를 포함할 수 있을 것이다. 원료 재료가 적어도 2개의 - 예를 들어, 적어도 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 그 초과의 유리 재료를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 원료 재료가 적어도 2개의 유리 재료를 포함하고, 유리 재료는: 제1 전이 온도를 가지는 제1 유리 재료; 제2 전이 온도를 가지는 제2 유리 재료를 포함하고, 제2 전이 온도가 제1 전이 온도 보다 높다. 일 실시예에서, 원료 재료 내의 제1 유리 재료 및 제2 유리 재료의 중량비가 8:1이다. 적용예에 따라서, 10:1, 15:1, 20:1, 등과 같은 다른 비율도 또한 가능하다.
유리 재료가, 적용예에 따라서, 임의의 적합한 재료 성질을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 유리 재료가 약 300 ℃ 내지 약 500 ℃ - 예를 들어 약 350 ℃ 내지 약 480 ℃, 약 400 ℃ 내지 약 460 ℃, 약 410 ℃ 내지 약 450 ℃, 약 420 ℃ 내지 약 440 ℃, 등의 연화(softening) 온도를 가질 수 있을 것이다. 재료에 따라서, 다른 연화 온도 값도 가능하다.
유리 재료가 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃ - 예를 들어 약 250 ℃ 내지 약 450 ℃; 약 300 ℃ 내지 약 400 ℃; 약 320 ℃ 내지 약 385 ℃; 약 340 ℃ 내지 약 370 ℃; 약 350 ℃ 내지 약 360 ℃, 등의 유리 전이 온도를 가질 수 있을 것이다. 재료에 따라서, 다른 유리 전이 온도 값도 가능하다.
유기 용매가, 적용예에 따라서, 임의의 유형의 적합한 유기 용매를 포함할 수 있을 것이다. 유기 용매가 알코올, 지방족, 방향족, 케톤, 에틸 아세테이트, 및 에스테르 중 적어도 하나를 포함할 수 있을 것이다. 알코올이 모노테르펜 알코올 또는 알코올 에스테르를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 유기 용매가 에스테르 알코올 및 알파 테르피오넬 중 적어도 하나를 포함할 수 있을 것이다. 에스테르 알코올이, 예를 들어, Texanol™ 일 수 있을 것이다.
중합체 재료가, 적용예에 따라서, 임의의 유형의 적합한 중합체 재료를 포함할 수 있을 것이다. 중합체 재료가 수지, 틱소트로피제(thixotropic agent), 윤활제, 가소제, 및 왁스 중 적어도 하나를 포함할 수 있을 것이다. 수지가 에틸 셀룰로오즈를 포함할 수 있을 것이다. 틱소트로피제가 개질된 피마자유 유도체(modified castor oil derivative)를 포함할 수 있을 것이다. 윤활제 또는 가소제가 올레핀 공중합체, 폴리-알킬 메타크릴레이트, 스티렌 중합체, 등을 포함할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 원료 재료가: (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 유리 재료; (ii) 약 80 내지 약 88 중량%의, 은 입자를 포함하는 조성물; (iii) 약 10.8 내지 약 14.4 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 1.2 내지 1.6 중량%의 중합체 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 원료 재료가 (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 유리 재료; (ii) 약 65 내지 약 75 중량%의, 은 입자를 포함하는 조성물; (iii) 약 18 내지 약 27 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 2 내지 3 중량%의 중합체 재료를 포함한다.
일부 경우에, 비-전기 전도성 재료를 포함하는 부가적인 충진재(filler) 재료가 원료 재료에 포함될 수 있을 것이다. 일부 경우에, 원료 재료가 또한 부수적인, 불가피한 불순물을 포함할 수 있을 것이다. 유기 용매 및/또는 중합체 재료가, 적용예에 따라서, 원료 재료의 임의의 적합한 함유량(content)이 될 수 있을 것이다. 함유량은, 원료 재료에 대해서 이루어지는 상이한 가공의 결과로서 변화될 수 있을 것이다. 예를 들어, 제품 재료가 (i) 적어도 하나의 유기 용매 및 (ii) 적어도 하나의 중합체 재료 중 적어도 하나를 약 8-10 중량%로 포함한다. 다른 중량% 값이 또한 가능하다.
적용예
본원에서 설명된 방법 및 시스템에 의해서 생산된 제품 재료가 다양한 적용예에서 이용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 방법은, 원료 재료가 전기 전도성 재료를 포함하는 경우에, 전기적 연결을 형성하기 위해서 제품 재료를 기판 상으로 배치하는 단계를 더 포함할 수 있을 것이다. 기판이, 태양 전지, 전자적 장치, 광전자 장치, 인쇄된 센서, 투명 전도성 코팅, 첨단(advanced) 세라믹, 바이오센서, 액추에이터, 에너지 회수 장치, 하이브리드 회로, 음파탐지기, 레이더, 터치 스크린, 3-D 인쇄 장치, 및 열 관리 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 장치의 일부 일 수 있고, 투명 전도성 코팅은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 및 인듐 주석 산화물 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 유형의 적용예가 또한 가능하다. 하나의 적용예에서, 제품 재료가 Ag-충진된 중합체 잉크에서 이용될 수 있을 것이고, 그러한 잉크에서는 유기 태양 전지 적용예를 위해서 저온 경화(150 ℃ 내지 250 ℃ 범위)가 요구된다. 다른 적용예에서, 제품 재료가 터치 스크린 적용예를 위한 Ag 잉크(고온 및 중합체-기반)에서 이용될 수 있을 것이고, 여기에서 미세 라인 인쇄 및 큰 전기 전도성이 바람직하다. 하나의 적용예에서, 제품 재료가, 인쇄된 센서, 투명 전도성 코팅, 첨단 세라믹(전극 및 종단 재료), 바이오센서를 포함하는 센서, 액추에이터, 에너지 회수 장치, 하이브리드 회로, 음파탐지기, 레이더, 3-D 인쇄, 열 관리 재료를 포함하는, 적용예를 위한 Ag 또는 임의의 귀금속 또는 기본 금속 전기 전도성 잉크/페이스트에서 이용될 수 있을 것이고, 투명 전도성 코팅이 탄소 나노 튜브, 그래핀, 산화 인듐 주석 등을 기초로 할 수 있을 것이고, 열 관리 재료는 Ag 및/또는 그래핀 등을 기초로 전기적 및 열적 전도성을 가진다.
비-제한적인 작업예
예 1 - 고온 결정질 p-타입 태양 전지
이러한 예는, 매우 미세한 격자선(50㎛ 미만)의 인쇄를 수용하도록 설계된 고온 결정질 p-타입 태양 전지를 위한 예시적인 제제(formulation)를 설명한다. 기존의 전형적인 피크 열처리(peak firing)(가공) 온도가 700 ℃ 내지 900 ℃ 범위이다. 또한, 제제는, 입자 충전 밀도(packing density)를 최대화하여, 가공 후에 열처리된 상태에서 산업적 표준 제제 보다 증가된 벌크(bulk) 전기 전도성을 달성하기 위해서, 적어도 3개의 상이한 Ag 입자 크기 및 형상(상업적으로 이용가능한 용매 내에 분산된 나노-분말로부터 건성 분말까지의 범위를 가진다)을 가진다. 또한, 기존 잉크는 하나의 유리 조성물을 포함하는 반면, 잉크/페이스트 제제는 상이한 연화점을 가지는 다중 유리 조성물을 이용한다. 이는, 보다 많은 Ag를 에미터(emitter) 층으로 이송하는 것을 돕고, 또한, 액체상 소결 메커니즘을 통한 열처리된 필름의 조밀화를 향상시킨다. 보다 조밀한 필름은 더 큰 벌크 전기 전도성을 가질 것이고, 보다 많은 Ag를 전지의 에미터 층으로 전달할 수 있는 능력은 더 높은 효율을 초래할 것이다.
본원에서 제공된, 설명된 장비를 이용한, 동수압적 공동화 프로세스를 기초로, 두께가 12 내지 20㎛이고 폭이 50 미크론 미만인 두꺼운 태양열(solar) 막 스크린 인쇄 가능 제제(전방 격자선 접촉부)가 제조되었고 표 1에 나열되었다.
개별적인 성분 및 잉크/페이스트를 가공하기 위한 압력이 1,000 psi 내지 30,000 psi 범위였다. 내부 압력, 유량, 입자 크기 제한 및 공동화 수준을 제어하기 위해서 이용된 오리피스 직경 크기가 0.005 인치 내지 0.050 인치 범위였다. 공동화 시스템 내의 재료에 대한 유량은 여러 가지 시스템 구성에 의존하고 여러 가지 시스템 구성으로 보상된다. 작은 샘플 부피를 위한 유량이 분당 100 ml 범위인 한편, 생산량은 분당 20 내지 30 리터에 접근하고 심지어 초과한다. 장치의 공동화 영역 내에서 생성되는 배압이 중요하고, 밸브 설계, 오리피스 판 제약 조건, 및 시스템 배향에 따라서 달라진다. 공급 재료 및 시스템 내로 유동하는 재료의 온도 제어가 중요하고, 유기 성분 성질에 의존한다. 프로세스 조건은 여러 가지 재료의 첨가 순서, 각각의 잉크/페이스트 점도, 프로세스 시간 및 유기 매체 내의 고체(solid) 재료의 %와 관련하여 달라진다. 시스템이 그 초기 장입(charge) 부피에 일단 도달하면 수득율(yield)이 약 100%가 되고, 이는 귀금속과 같은 고가의 원료 재료를 가공할 때 매우 유리하다.
구성요소 조성 범위 (중량%)
유리 프릿 입자 3.5 내지 6.0
은 입자 80 내지 88
용매 10.8 내지 14.4
중합체 성분 1.2 내지 1.6
표 1- 예시적인 잉크 제제
표 1에서 설명된 바와 같은 Ag 태양열 전방면 페이스트를 가공하기 위한 온도가 약 38 ℃ 내지 48 ℃였다. 가공을 위한 압력 범위가 약 4,500 psi 내지 45,000 psi였다. 공동화 기계의 오리피스 크기와 관련하여, 순차적인 3개의 상이한 오리피스 크기를 이용하여, 진공을 형성하기 위해서 필요한 이어서 진공 기포를 내파시키기 위해서 필요한 압력 전이들을 생성하였다. 일차적인 오리피스, 이어서 몇 개의 이차적인 오리피스, 이어서 최종 오리피스를 이용하여 배압을 생성하였다. 일차적인 0.020" 오리피스를 이용하여 큰 응집체를 파괴하였다. 3번의 통과 후에, 그러한 오리피스가, 순차적으로, 일차적인 오리피스 0.015", 이차적인 오리피스 0.068", 배압을 생성하기 위한 최종적 오리피스 0.038"로 절환되었다. 이러한 예에서 12 번의 통과를 이용하였다(일차적인 .020" 이용한 3번의 통과, 이어서 일차적인 오리피스 .015"를 이용한 나머지 9번).
Ag 평균 입자 크기가 < 0.1 미크론으로부터 3.0 미크론까지의 범위였다. 전체 입자 크기 분포에 대한 범위가 0.1 미크론 내지 10 미크론이었다. 본질적으로 구형인 3개의 상이한 Ag 분말을 이용하여, 충전 밀도를 최적화하였다. 3개의 상이한 구형 분말의 평균 입자 크기가 0.2 ㎛, 0.5 ㎛, 및 1.5 ㎛ 이었다. 이러한 예(n)에서 태양열 조성물 내의 각각의 중량% 기반의 비율은 다음과 같다: 4:2:94(태양열 잉크 제제 내의 87% 총 Ag 중량을 기초로 한다). 중량비는 태양열 격자라인 폭 요건에 따라서 달라진다. 일차적인 큰 성분이 AG 구체에 대한 일차적인 구성요소를 유지하였고 80%를 초과한 반면, 작은 크기는 각각 0 내지 15 중량% 범위일 수 있을 것이다.
실리콘-붕소-납-알루미늄(비스무트와 같은 납의 치환물을 가질 수 있을 것이다)을 포함하는 보로실리케이트 유리를 이러한 예에서 설명된 잉크/페이스트 제제 내에서 이용하였다. 이러한 예를 위한 유리 조성이 4.5 중량%이고 앞서서 구체화된 범위 내의 성질을 가지는 2개의 상이한 유리 조성을 기초로 한다. 2-유리 혼합물의 경우에, 전형적으로, 높은 용융 온도의 유리가 8:1의 비율로 주요 성분이 된다. 낮은 온도에서 용융하는 조성물은 Ag 입자의 액체상 소결, 및 전하 캐리어가 잔류하는 에미터 층에서 접촉부를 만들기 위한 반사방지 코팅 층을 통한 균일한 식각을 돕는다.
유기 용매 및 중합체 성분이 표 1에서 중량% 범위로 기재되어 있다. 용매는 8:1 비율의 Texanol™ 및 알파 테르피오넬인 한편, 중합체 성분은 격자선의 기하형태적 요건을 기초로 달라질 수 있을 것이다. 전형적인 중합체 성분이 에틸 셀룰로오즈, 틱소트로피제, 가소제 및 왁스를 포함한다. 용매 및 다양한 중합체로부터 단일 캐리어 조성물로 합성되는 (잉크/페이스트 제제 내의) 유기 운반체의 %가 8 내지 10 중량%이다.
예 2 - 태양 전지를 위한 저온 Ag 잉크
이러한 예에서 은(Ag) 전도성 잉크/페이스트 제제가, 후방부 부동태화(passivated) 태양 전지와 같은, 차세대 태양 전지 설계를 위해서 개발되었다. 이러한 예에서 설명되는 설계는, 개선된 후방면 반사율(BSR) 및 감소된 후방 표면 재조합 속도(back surface recombination velocity; BSRV)로 인해서 장파장 캐리어 수집을 증가시키는 전지 구축 구성을 이용한다. 낮은 BSRV 및 높은 BSR은 더 높은 태양 전지 효율을 유도할 것이다. 생산에 있어서 기존의 태양 전지 상의 전형적인 전방 Ag 격자선의 요건과 대조적으로, 이러한 예에서 설명된 Ag 잉크는 저온(250 ℃ 내지 450 ℃)에서의 소결 후에 후방면 유전체에 강하게 부착되어 매우 큰 전도도(< 2 마이크로-오옴.cm)를 제공하고 후방면 유전체의 부동태화 성질을 보존한다.
이러한 Ag 잉크는, 낮은 연화점 및 용융점뿐만 아니라, 낮은 유리 전이 온도를 가지는 유리 성분을 포함한다. 이러한 유리 분말이, 최적으로는 최대 400℃ 미만인, 450℃ 또는 그 미만의 온도에서 액체-상 보조형 소결을 제공하기 위해서 연화되고, 용융되며, 유동된다. 대조적으로, 기존의 전방면 격자선을 위한 Ag 잉크는 700 ℃ 초과의 가공을 위해서 설계된다.
이러한 예에서 형성된 Ag 막은 이하의 특성을 가진다: Ag 및 유리 분말 및/또는 플레이크가, 그러한 낮은 전지 가공 온도에서 조밀화 및 허용 가능한 전기 전도도를 달성하기 위한 미세하고 좁은 입자 크기 분포를 가진다. Ag 막은, 전형적으로 Ag/Al 또는 Ag 패드 또는 비아(via)인 후방 접촉부에 대한 허용 가능한 전기 접촉부를 형성한다. Ag 막은 부동태화 층을 임의 범위까지 침투하지 않으나, 부동태화 층에 대한 양호한 접착을 가여야 한다. Ag 막은 스크린-인쇄 또는 대안적인 침착(deposition) 방법에 의해서 침착될 수 있다. 만약 전기 전도도가 충분히 높다면, 막 두께가 최소화되고, 그에 따라 상당한 재료비를 절감할 수 있다. 이러한 예에서 설명된 그러한 디자인을 위한 Ag 스크린- 인쇄 가능 제제의 조성물이 표 2에 기재되어 있다.
구성요소 바람직한 조성 범위 (중량%)
유리 프릿 입자 3.5 내지 6.0
은 입자 65 내지 75
용매 18 내지 27
중합체 성분 2.0 내지 3.0
표 2-예시적인 잉크 제제
표 1에서 설명된 바와 같은 Ag 태양열 전방면 페이스트를 가공하기 위한 온도가 약 30 ℃ 내지 45 ℃였다. 가공을 위한 압력 범위가 약 1,000 psi 내지 20,000 psi였다. 공동화 기계의 오리피스 크기와 관련하여, 순차적인 3개의 상이한 오리피스 크기를 이용하여, 진공을 형성하기 위해서 필요한 이어서 진공 기포를 내파시키기 위해서 필요한 압력 전이들을 생성하였다. 일차적인 오리피스, 이어서 몇 개의 이차적인 오리피스, 이어서 최종 오리피스를 이용하여 배압을 생성하였다. 일차적인 0.020" 오리피스를 이용하여 큰 응집체를 파괴하였다. 3번의 통과 후에, 그러한 오리피스가, 모두 순차적으로, 일차적인 오리피스 0.015", 이차적인 오리피스 0.068", 배압을 생성하기 위한 최종적 오리피스 0.038"로 절환되었다.
실리콘-붕소-납-알루미늄(비스무트와 같은 납의 치환물을 가질 수 있을 것이다)을 포함하는 보로실리케이트 유리를 이러한 예에서 설명된 잉크/페이스트 제제 내에서 이용하였다. 유리 조성물은 330 ℃ 내지 350 ℃ 범위의 연화점을 가진다. 유리 전이 온도가 250 ℃ 내지 270 ℃이다. 유리 및 Ag 플레이크 및 구체에 대한 입자 크기 범위는 예 1에서 설명된 바와 같다.
부가적인 내용
비제한적으로, 특허, 특허출원, 논문, 서적, 전문서적(treatise), 및 웹페이지를 포함하는, 본원에서 인용된 모든 문헌 및 유사한 자료는, 그러한 문헌 및 유사 자료의 형태와 관계 없이, 그 전체가 참조로서 명백하게 포함된다. 포함된 문헌 및 유사 자료 중 하나 이상이, 비제한적으로, 정의된 용어, 용어 용법, 또는 설명된 기술, 등을 포함하는 본원과 상이하거나 모순되는 경우에, 본원이 우선한다.
본 교시 내용이 여러 가지 실시예 및 예와 함께 설명되었지만, 본 교시 내용은 그러한 실시예 또는 예로 제한되지 않을 것이다. 대조적으로, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본 교시 내용은 여러 가지 대안, 수정, 및 균등물을 포함한다.
여러 가지 발명의 실시예가 본원에서 설명되고 도시되었지만, 당업자는, 본원에서 설명된 기능을 실시하기 위한 및/또는 결과 및 하나 이상의 장점을 획득하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 안출할 수 있을 것이고, 그러한 변경예 및/또는 수정예의 각각은 본원에서 설명된 발명의 실시예의 범위 내에 포함될 것이다. 보다 일반적으로, 당업자는, 본원에서 설명된 모든 매개변수, 치수, 재료, 및 구성이 예시적인 것을 의미한다는 것 그리고 실제 매개변수, 치수, 재료 및/또는 구성이 발명의 교시 내용이 이용되는 구체적인 적용예 또는 적용예들에 따라서 달라질 것임을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 당업자는 본원에서 설명된 발명의 구체적인 실시예에 대한 많은 균등물을 인지할 수 있을 것이다. 그에 따라, 전술한 실시예가 단지 예로서 제시되었다는 것 그리고, 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에서, 발명의 실시예가 구체적으로 설명되고 청구된 것과 달리 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 개시 내용의 발명의 실시예는 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 그러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법 중 둘 이상의 임의 조합은, 그러한 특징, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 상호 모순되지 않다면, 본 개시 내용의 발명의 범위 내에 포함된다.
전술한 발명의 실시예는 임의의 많은 방식으로 구현될 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 실시예가 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합을 이용하여 구현될 수 있을 것이다. 실시예의 임의 양태가 적어도 부분적으로 소프트웨어로 구현될 때, 단일 컴퓨터 내에 제공되든지 또는 복수의 컴퓨터들 사이에서 분포되든지 간에, 소프트웨어 코드가 임의의 적합한 프로세서 또는 프로세서의 집합에서 실행될 수 있을 것이다.
이와 관련하여, 발명의 여러 가지 양태가 하나 이상의 프로그램으로 인코딩된 적어도 부분적으로 컴퓨터 판독가능 저장 매체(또는 복수의 컴퓨터 판독가능 저장 매체)(예를 들어, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광학 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array) 또는 다른 반도체 소자 내의 회로 구성, 또는 다른 이용가능(tangible) 컴퓨터 저장 매체 또는 비-일시적 매체)로서 구현될 수 있을 것이고, 그러한 프로그램은, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서에서 실행될 때, 전술한 기술의 여러 가지 실시예를 구현하는 방법을 실시한다. 컴퓨터 판독가능 매체 또는 매체들이 전송 가능할 수 있을 것이고, 그에 따라 그러한 매체에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이 하나 이상의 다른 컴퓨터 또는 다른 프로세서 상으로 로딩되어, 전술한 바와 같은 본원 기술의 여러 가지 양태를 실시할 수 있을 것이다.
"프로그램" 또는 "소프트웨어"라는 용어는, 전술한 바와 같은 본원 기술의 여러 가지 양태를 실시하도록 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그래밍하기 위해서 이용될 수 있는 임의 유형의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터-실행가능 명령어의 세트를 지칭하기 위해서 일반적인 의미로 본원에서 사용된 것이다. 부가적으로, 이러한 실시예의 하나의 양태에 따라서, 실행시에 본원 기술의 방법을 실시하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일 컴퓨터 또는 프로세서에 상주할 필요가 없고, 본원 기술의 여러 가지 양태를 실시하기 위해서 많은 수의 상이한 컴퓨터들 또는 프로세서들 사이에서 모듈형 양식으로 분포되어 있을 수 있을 것이다.
컴퓨터-실행가능 명령어가, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 장치에 의해서 실행되는, 프로그램 모듈과 같은, 많은 형태를 가질 수 있을 것이다. 일반적으로, 프로그램 모듈은, 특별한 과제를 실시하거나 특별한 요약 데이터 유형을 실행하는 루틴, 프로그램, 목적(object), 구성요소, 데이터 구조, 등을 포함한다. 전형적으로, 프로그램 모듈의 기능성이 여러 가지 실시예에서 요구되는 바에 따라 조합 또는 분포될 수 있을 것이다.
또한, 본원에서 설명된 기술이 방법으로 구현될 수 있을 것이고, 그러한 방법의 적어도 하나의 예가 제공되었다. 방볍의 일부로서 실시되는 작용들이 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있을 것이다. 따라서, 비록 설명된 실시예에서 순차적인 작용들로서 제시되어 있지만, 일부 작용들이 동시적으로 실시되는 것을 포함할 수 있는, 작용들이 설명된 것과 다른 순서로 실시되는 실시예가 구성될 수 있을 것이다.
본원에서 정의되고 이용되는 바와 같은, 모든 정의는 사전적 정의, 참조로서 포함된 문헌 내의 정의, 및/또는 정의된 용어의 일반적인 의미보다 우선하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본원의 명세서 및 청구항에서 이용된 부정관사는, 명백하게 반대로 표시되어 있지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본원에서 인용된 모든 범위는 포괄적인 것이다.
본 명세서 전반을 통해서 이용된 "실질적으로" 및 "약"이라는 용어는 작은 변동(fluctuation)을 설명하고 기술하기 위해서 이용된 것이다. 예를 들어, 그러한 용어가 ±5% 이하, 예를 들어 ±2% 이하, 예를 들어 ±1% 이하, 예를 들어 ±0.5%, 예를 들어 ±0.2%, 예를 들어 ±0.1%, 예를 들어 ±0.05%를 지칭할 수 있을 것이다.
본원의 명세서 및 청구항에서 사용된 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는 그렇게 결합된 요소 즉, 일부 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에 분리적으로 존재하는 요소의 "어느 하나 또는 양자 모두"를 의미하는 것으로 이해하여야 할 것이다. "및/또는"과 함께 나열된 복수의 요소가 동일한 양식으로, 즉 그렇게 결합된 요소 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. 구체적으로 식별된 요소와 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, "및/또는"라는 문구에 의해서 구체적으로 식별되는 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있을 것이다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"라는 언급은, "포함하는"과 같은 개방-단부형(open-ended) 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A 만을(선택적으로 B 이외의 요소를 포함한다); 다른 실시예에서, B 만을(선택적으로 A 이외의 요소를 포함한다); 또 다른 실시예에서, A 및 B 모두를(선택적으로 다른 요소를 포함한다); 기타 등등을 지칭할 수 있을 것이다.
본원에서 명세서 및 청구항에서 사용된 바와 같이, "또는"은 앞서서 정의한 "및/또는"과 같은 의미를 가지는 것으로 이해하여야 할 것이다. 예를 들어, 목록 내의 물품을 분리할 때, "또는"이나 "및/또는"은 포괄적인 것으로 즉, 적어도 하나를 포함하는 것으로, 또한 많은 요소 또는 요소의 목록 중 하나 이상을 포함하는 것으로, 그리고 선택적으로, 부가적으로 목록화되지 않은 물품을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다. "~ 중 단지 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같이, 반대되는 것으로 명백하게 표현된 용어들 만이 또는, 청구항에서 이용될 때, "~으로 이루어진"이라는 용어만이 많은 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나의 요소를 포함한다는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에서 이용된 바와 같은 "또는"이라는 용어는, "어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 단지 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은, 배타적인 용어가 선행할 때에만, 배타적인 대안(alternative)(즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 양자 모두는 아닌")을 나타내는 것으로 해석될 것이다. "~으로 필수적으로 이루어지는"은, 청구항에서 사용될 때, 특허법 분야에서 이용되는 바와 같은 일반적인 의미를 가질 것이다.
명세서 및 청구항에서 이용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 대한 언급 중의 "적어도 하나"라는 문구는, 요소의 목록 내의 요소 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하나, 요소의 목록 내에서 구체적으로 목록화된 각각의 그리고 모든 요소 중 적어도 하나를 필수적으로 포함할 필요는 없고 요소의 목록 내의 요소의 임의 조합을 배제할 필요도 없다. 이러한 정의는 또한, 구체적으로 식별된 해당 요소와 관련되든지 또는 관련이 없는지 간에, "적어도 하나"라는 문구가 언급하는 요소의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 인정하는 것이다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")가, 일 실시예에서, B가 존재하지 않는 상태에서(그리고, 선택적으로 B 이외의 요소를 포함), 선택적으로 하나 초과를 포함하는, 적어도 하나의 A를; 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는(그리고 선택적으로 A 이외의 요소를 포함하는) 상태에서, 선택적으로 하나 초과를 포함하는, 적어도 하나의 B를; 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 초과 포함하는 적어도 하나의 A, 및 선택적으로 하나 초과를 포함하는, 적어도 하나의 B(그리고 선택적으로 다른 요소를 포함)를; 그리고 기타 등등을 지칭할 수 있을 것이다.
상기 명세서에서 뿐만 아니라, 청구항에서, "포함하는(comprising)", "구비하는(including)", "수반하는(carrying)", "가지는(having)" "함유하는(containing)", "관련된(involving)", "유지하는(holding)", 및 "~로 구성된(composed of)" 등과 같은 모든 과도적 문구가, 개방-단부형인 것으로, 즉 포함하나 제한적이지는 않은 것으로 이해될 수 있을 것이다. 미국 특허청 특허 심사 편람의 항목 2111.03에 기재된 바와 같이, 단지 "~으로 이루어진" 및 "필수적으로 ~으로 이루어진"의 과도적 문구가 각각 폐쇄형 또는 절반-폐쇄형 과도적 문구가 될 것이다.
청구항은, 해당 효과를 기술하고 있지 않는 한, 설명된 순서 또는 요소로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 할 것이다. 첨부된 청구항의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도, 형태 및 상세 내용에서의 다양한 변화가 당업자에 의해서 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 이하의 청구항 및 그 균등물의 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 실시예가 청구된다.

Claims (51)

  1. 제조 방법이며:
    원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계로서, 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함하고, 제2 점도는 원료 재료가 동수압적 공동화 프로세스를 위해서 구성되도록 충분히 낮은, 노출시키는 단계; 및
    제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 피드백 온도 제어를 이용하여 제품 재료를 미리 결정된 제2 온도로 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 공기-구동형 피스톤의 이용에 의해서 제1 압력을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    동수압적 공동화 프로세스가 내부에서 이루어지는 동수압적 공동화 챔버의 적어도 하나의 오리피스를 통해서 제1 점도를 가지는 원료 재료를 추진하는 것에 의해서, 제1 온도를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    기판 상에 패턴을 형성하기 위해서 제품 재료를 기판 상에 배치하는 단계를 더 포함하고, 기판이 태양 전지, 전자적 장치, 광전자 장치, 인쇄된 센서, 투명 전도성 코팅, 첨단 세라믹, 바이오센서, 액추에이터, 에너지 회수 장치, 하이브리드 회로, 음파탐지기, 레이더, 터치 스크린, 3-D 인쇄 장치, 및 열 관리 재료로 이루어진 그룹으로부터 선택된 장치의 일부이고, 투명 전도성 코팅이 탄소 나노 튜브, 그래핀, 및 인듐 주석 산화물 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    노출시키는 단계 및 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 적어도 한차례 반복하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계 및 노출시키는 단계 중 적어도 하나가 폐쇄된 시스템 내에서 이루어지는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    방법이 자동화되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상온에서의 제1 점도가 적어도 약 1 Kcps인, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 점도가 제1 점도의 약 50% 이하인, 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    제3 점도가 제1 점도의 약 75% 이하인, 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    제품 재료 내에서 제2 크기를 가지는 입자를 형성하기 위해서 원료 재료 내에 포함된 입자의 제1 크기를 감소시키는 단계를 더 포함하고, 제2 크기가 제1 크기 보다 작은, 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    제품 재료 내에서 제2 크기를 가지는 입자를 형성하기 위해서 원료 재료 내에 포함된 제1 크기를 가지는 입자를 탈-응집화시키는 단계를 더 포함하고, 제2 크기가 제1 크기 보다 작은, 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    육안으로 관찰 가능한 입자의 응집이 제품 재료 내에서 관찰되지 않도록, 입자를 분산시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    제품 재료가, 적어도 1년 동안 적어도 실질적으로 응집되지 않는 입자를 포함하는, 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    전기 전도성 재료가:
    (i) Ag, Pd, Au, Pt, Ni, Cu, Ru, 또는 그 합금 중 적어도 하나; 및
    (ii) 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 및 흑연 중 적어도 하나; 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    제1 점도를 가지는 원료 재료 내의 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자가 적어도 3개의 평균 입자 크기 분포를 가지는, 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    원료 재료가 보로실리케이트를 포함하는 적어도 하나의 유리 재료를 포함하는, 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    원료 재료가 적어도 2개의 유리 재료를 포함하고, 유리 재료는:
    제1 전이 온도를 가지는 제1 유리 재료;
    제2 전이 온도를 가지는 제2 유리 재료로서, 제2 전이 온도가 제1 전이 온도 보다 높은, 제2 유리 재료를 포함하며;
    원료 재료 내의 제1 유리 재료 및 제2 유리 재료의 중량비가 8:1인, 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    원료 재료가 적어도 하나의 유리 재료를 포함하고, 유리 재료가:
    (i) 약 400 ℃ 내지 약 460 ℃의 연화 온도;
    (ii) 약 320 ℃ 내지 약 385 ℃의 유리 전이 온도; 및
    (iv) 약 0.1 미크론 내지 3 미크론의 평균 입자 크기; 중 적어도 하나를 가지는, 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    원료 재료가, 에스테르 알코올 및 알파 테르피오넬 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 유기 용매를 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    원료 재료가, 수지, 틱소트로피제, 윤활제, 가소제, 및 왁스 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 중합체를 포함하는, 방법.
  23. 제1항에 있어서,
    원료 재료가 조성물을 포함하고, 조성물이 은을 포함하는 입자, 적어도 하나의 유리 재료, 적어도 하나의 유기 용매, 및 적어도 하나의 중합체 재료를 포함하는, 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    제품 재료가 (i) 적어도 하나의 유기 용매 및 (ii) 적어도 하나의 중합체 재료 중 적어도 하나를 약 8-10 중량%로 포함하는, 방법.
  25. 제1항에 있어서,
    원료 재료가: (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 유리 재료; (ii) 약 80 내지 약 88 중량%의, 은 입자를 포함하는 조성물; (iii) 약 10.8 내지 약 14.4 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 1.2 내지 1.6 중량%의 중합체 재료를 포함하는, 방법.
  26. 제1항에 있어서,
    원료 재료가: (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 유리 재료; (ii) 약 65 내지 약 75 중량%의, 은 입자를 포함하는 조성물; (iii) 약 18 내지 약 27 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 2 내지 3 중량%의 중합체 재료를 포함하는, 방법.
  27. 제1항에 있어서,
    제1 온도가 약 35 ℃ 내지 약 50 ℃인, 방법.
  28. 제1항에 있어서,
    제1 압력이 약 1,000 내지 약 50,000 psi인, 방법.
  29. 제1항에 있어서,
    원료 재료에 적합한 제1 압력 및 제1 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  30. 제1항에 있어서,
    p-타입 태양 전지를 형성하기 위해서 제품 재료를 기판 상으로 배치하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 장치 시스템이며:
    제1 점도를 가지며, 장치 시스템의 하류에 위치하고 장치 시스템으로부터 분리된 동수압적 공동화 챔버 내로 공급되는 원료 재료를 포함하도록 구성된 제1 공급 관; 및
    제1 점도를 제2 점도로 감소시키기에 충분한 높은 제1 압력 및 제1 온도를 가지는 조건을 생성하도록 구성된 공기-구동형 피스톤으로서, 제2 점도가, 제품 재료를 형성하기 위한 동수압적 공동화 프로세스를 진행하기 위해서 원료 재료를 동수압적 공동화 챔버의 오리피스 내로 밀어 넣을 수 있을 정도로 충분히 낮은, 공기-구동형 피스톤을 포함하는, 장치 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    동수압적 공동화 챔버의 하류에서 열 제어 시스템을 더 포함하고, 열 제어 시스템은 열 교환기, 열전쌍, 및 동수압적 공동화 챔버로부터 배출되는 제품 재료를 냉각시키기 위해서 유체를 공급하도록 구성된 냉각 유체 저장용기 적어도 하나를 포함하는, 장치 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    열 제어 시스템이, 제2 온도를 원료 재료의 열적 열화 온도 미만으로 제어하도록 구성되는, 장치 시스템.
  34. 제32항에 있어서,
    열 제어 시스템의 하류에서 폐쇄된 시스템을 더 포함하고, 폐쇄된 시스템은:
    제2 공급 관;
    동수압적 공동화 프로세스를 반복하기 위해서 동수압적 공동화 챔버 내로 제품 재료를 다시 재공급하도록 구성된 복수의 2 방향 밸브 및 3-방향 밸브; 및
    압력 변환기를 포함하는, 장치 시스템.
  35. 제31항의 장치 시스템 및 동수압적 공동화 챔버를 포함하는 제조 시스템.
  36. 프로그램이 저장된 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체이며, 프로그램은, 적어도 하나의 프로세서에 의해서 실행될 때, 방법을 실시하도록 구성되며, 방법은:
    원료 재료가 노출 후에 제2 점도를 가지도록, 제1 점도를 가지는 원료 재료를 제1 압력 및 제1 온도에 노출시키는 단계로서, 원료 재료가 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자를 포함하고, 제2 점도는 원료 재료가 동수압적 공동화 프로세스를 위해서 구성되도록 충분히 낮은, 노출시키는 단계; 및
    제3 점도를 가지는 제품 재료를 제조하기 위해서 제2 점도를 가지는 원료 재료에 대해서 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 포함하는, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체.
  37. 제36항에 있어서,
    방법이, 적어도 피드백 온도 제어를 이용하여 제품 재료를 미리 결정된 제2 온도로 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체.
  38. 제36항에 있어서,
    방법이, 노출시키는 단계 및 동수압적 공동화 프로세스를 실시하는 단계를 적어도 한차례 반복하는 단계를 더 포함하는, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체.
  39. 제36항에 있어서,
    방법이, 원료 재료에 적합한 제1 압력 및 제1 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체.
  40. 제1항에 있어서,
    제1 점도가 적어도 약 1 Kcps인, 방법.
  41. 조성물이며:
    전기 전도성 재료를 포함하는 입자;
    적어도 2개의 유리 재료;
    적어도 하나의 유기 용매; 및
    적어도 하나의 중합체 재료를 포함하고,
    조성물이, 동수압적 공동화 프로세스가 실시되는 원료 재료의 일부인, 조성물.
  42. 제41항에 있어서,
    조성물이 상온에서 적어도 약 1 Kcps의 점도를 가지는, 조성물.
  43. 제41항에 있어서,
    전기 전도성 재료가:
    (i) Ag, Pd, Au, Pt, Ni, Cu, Ru, 또는 그 합금 중 적어도 하나; 및
    (ii) 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브, 및 흑연 중 적어도 하나;
    중 적어도 하나를 포함하는, 조성물.
  44. 제41항에 있어서,
    원료 재료 내의 적어도 하나의 전기 전도성 재료를 포함하는 입자가 적어도 3개의 평균 입자 크기를 포함하는 입자 크기 분포를 가지는, 조성물.
  45. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 유리 재료가 보로실리케이트를 포함하는, 조성물.
  46. 제41항에 있어서,
    적어도 2개의 유리 재료가:
    제1 전이 온도를 가지는 제1 유리 재료;
    제2 전이 온도를 가지는 제2 유리 재료로서, 제2 전이 온도가 제1 전이 온도 보다 높은, 제2 유리 재료를 포함하고;
    원료 재료 내의 제1 유리 재료 및 제2 유리 재료의 중량비가 8:1인, 조성물.
  47. 제41항에 있어서,
    적어도 2개의 유리 재료가:
    (i) 약 400 ℃ 내지 약 460 ℃의 연화 온도;
    (ii) 약 320 ℃ 내지 약 385 ℃의 유리 전이 온도; 및
    (iv) 약 0.1 미크론 내지 3 미크론의 평균 입자 크기; 중 적어도 하나를 가지는, 조성물.
  48. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 유기 용매가, 에스테르 알코올 및 알파 테르피오넬 중 적어도 하나를 포함하는 적어도 하나의 유기 용매를 포함하는, 조성물.
  49. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 중합체 재료가, 수지, 틱소트로피제, 윤활제, 가소제, 및 왁스 중 적어도 하나를 포함하는, 조성물.
  50. 제41항에 있어서,
    조성물이: (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 적어도 2개의 유리 재료; (ii) 약 80 내지 약 88 중량%의, 전기 전도성 재료를 포함하는 입자; (iii) 약 10.8 내지 약 14.4 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 1.2 내지 1.6 중량%의 중합체 재료를 포함하는, 조성물.
  51. 제41항에 있어서,
    조성물이: (i) 약 3.5 내지 약 6.0 중량%의 적어도 2개의 유리 재료; (ii) 약 65 내지 약 75 중량%의, 전기 전도성 재료를 포함하는 입자; (iii) 약 18 내지 약 27 중량%의 유기 용매; 및 (iv) 약 2 내지 3 중량%의 중합체 재료를 포함하는, 조성물.
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